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小间距平行盾构施工引起的地表变形分析

摘 要:结合天津地铁6号线大毕庄站至金钟街站地铁区间隧道施工的实际情况,通过对小间距平行盾构区间的监测数据与数值模拟计算对小间距平行盾构施工引起的地表沉降变形进行了研究分析,主要对地表的横向和纵向变形规律进行了分析探讨,从而确定小间距平行盾构施工时对地表的影响范围,同时利用有限差分软件FLAC3D建立三维有限差分模型,对盾构施工时引起的地表沉降进行数值进行模拟计算,使二者在数据之间相互校核,确保监测数据的准确性,希望能够对地铁盾构施工的安全管理提供一定的借鉴经验。
0 引言
  地铁线路的走向有很多是左线与右线平行,在两条盾构线路同时施工时一般都是左线与右线相差几十米的推进距离,对于这种小间距平行隧道盾构施工引起的地表沉降进行分析探讨,多数是采用现场监测数据结合数值模拟软件同时进行。目前,天津地区许多地铁线路都是采用小间距平行隧道的形式,这种平行隧道施工往往是左线和右线基本上同时进行,先施工的隧道沉降量以及后施工隧道对地表的二次扰动影响非常大,所以,非常有必要对小间距平行隧道盾构施工引起的地表沉降进行深入的研究探讨。
1 工程概况及监测模拟方法
1.1 工程实例概况
  大毕庄站至金钟街站区间隧道工程始于金钟街站,沿津大线(102省道)向东敷设至津大线与规划路交口东侧的大毕庄站。左、右线区间长均为701.591m,区间结构采用预制管片拼装而成。预制管片衬砌参数:内径5500 mm、外径6200mm,管片厚度350mm、环宽1.5m,区间使用两台盾构机先后从金钟街站下井始发,分别沿区间左、右线向大毕庄站掘进,区间左线有半径2000m的平曲线两处,右线有半径2000m 的平曲线两处。区间线间距5m,区间覆土约为9.30m~11.51m,隧道底板埋深约14.00m~16.00m。该区间隧道主要穿越地层为粉质粘土、沙质粉土、粉质黏土等,该区间隧道局部平面示意图如图1所示。
1.2 三维数值模拟分析
  本工程采用FLAC3D软件进行数值模拟计算,模拟方式是先让土体在自重和荷载作用下固结稳定,达到一定的平衡状态以后,把数据清零以后进行盾构施工,管片安装一环支护一环。为了方便模拟计算,一般取几环为一组建立地铁盾构隧道FLAC3D三维数值模型图。本工程地铁盾构隧道外径为6.2m,管片厚度为0.35m,内径为5.5m,平均埋深为10.4m,假设 X轴为隧道的宽度、Y轴为隧道的掘进方向、Z轴为隧道的深度方向。这三个方向的长度取值是根据隧道盾构施工时的影响范围而设定,该模型选取的边界约束条件为:沿 Y 轴(隧道轴线)方向对模型前后两边结点进行 Y方向的水平约束;左右边界结点使加 X方向水平约束;考虑到周围土体的约束作用,对模型底部结点使加竖向约束。
  场地主要地基土层分布及其他参数见表1。
  图1为地面监测点布点示意图,DBCi1~DB-Ci6,图2为左线先行盾构时的某一横断面地面沉降曲线与数值模拟结果,由图2可以看出,由水准仪观测的数据计算得到的地面沉降曲线图与数值模拟沉降曲线趋势基本吻合,说明所建模型及计算参数可行。
2 地表变形的发展过程
  盾构掘进通过某一断面的地表变形时间曲线与盾构掘进过程中所处位置相关,如图3(a)所示,某一断面地表变形的变形-时间曲线划分为5个阶段,各阶段变形原因不同,变形机理各异。第1阶段:发生在盾构到达该断面之前,主要表现为地下水位降低产生固结沉降;第2阶段:盾构通过该断面前,若盾构控制土压不足或过大,则开挖面正前方土体弹塑性变形引起地表沉降或隆起;第3阶段:发生在盾构通过该断面时,由于超挖、曲线掘进或纠偏、盾壳与周围土体的摩擦等原因而发生地层沉降或隆起;第4阶段:盾构通过该断面后产生的变形,是由于盾尾空隙的出现引起应力释放或壁后注浆压力过大而产生的。盾构施工引起的地层沉降变形中的大部分都是这类变形;第5阶段:盾构通过该断面后较长时间内仍然持续发生的沉降变形,主要由于盾构掘进造成的地层扰动、松弛等引起,在软弱黏性土地层中施工表现最为明显,而在砂性土或密实的硬黏性土中施工基本不发生。
  图3(a)~(f)基于天津地铁6号线某区间隧道盾构先行施工和后行施工对地表沉降进行了数据采集和数值模拟,探讨了天津软土地区小间距平行盾构施工对地表沉降的影响。
3 结束语
  综上所述得出以下结论:
 (1)左线隧道盾构先行推进的过程中,地面沉降最大处基本位于左线隧道中心正上方,对平行于左线的右线隧道造成扰动,监测断面设计值为50m 范围基本满足要求。
 (2)当左线先行隧道推进结束以后,右线的推进过程 中,最大沉降量没有发生在右线隧道中心正上方,而发生在靠近左线一侧的位置处,即后行右线盾构对左线隧道土体造成扰动所导致。
 (3)在盾构始发处,刚开始掘进的过程中地面累计沉降变化最小,在往前推进的过程中除个别位置受到地质条件、盾构姿态、推进速度、注浆压力等的影响沉降(隆起)量偏大超出预警控制值外,其他纵断面沉降基本保持平稳状态,在实际施工过程中,应选择合理的注浆压力,以便很好地控制地表沉降变形。
 (4)当左线先行盾构施工过程中,会对右线的土壤造成扰动,右线的地表也有下沉的趋势,当盾构机到达开挖面的前端时,受到地下水固结和地层应力释放的因数影响,地表略有沉降,当盾构机穿越监测点上方时,地表会发生隆起,当盾构机通过监测点上方以后的一段时间地表又发生下沉现象。
 (5)当左线先行盾构结束以后,经过一段时间沉降量基本达到稳定状态,当后行隧道右线盾构时会对达到稳定期的左线造成扰动,所以当后行隧道盾构时先行的左线隧道需要继续监测。

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